WO2001084642A1 - Piezo-ceramic multilayer component for measuring instruments and method for the production thereof - Google Patents

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WO2001084642A1
WO2001084642A1 PCT/EP2000/007506 EP0007506W WO0184642A1 WO 2001084642 A1 WO2001084642 A1 WO 2001084642A1 EP 0007506 W EP0007506 W EP 0007506W WO 0184642 A1 WO0184642 A1 WO 0184642A1
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drive
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layers
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Sergej Lopatin
Igor Getman
Anatoliy Panitch
Yuriy Wusewker
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Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg
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    • G01F23/296Acoustic waves
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    • Y10T29/49798Dividing sequentially from leading end, e.g., by cutting or breaking

Definitions

  • the invention relates to an electromechanical drive or a 5 sensor element for a measuring device and a method for their production. It relates in particular to drives and sensor elements made of piezoelectric elements and the measuring devices equipped with them in a stacked construction.
  • Known measuring devices of this type are e.g. piezoelectric acceleration sensors and level measuring devices. These measuring devices usually comprise a base body on which the drive or the sensor element is attached, these being piezoelectric elements, electrodes and electrical connectors and
  • the piezoelectric elements are electrically connected to one another and connected to an electronic circuit corresponding to the application.
  • Piezoelectric measuring devices of this type show a relatively large charge sensitivity and a relatively low transverse sensitivity.
  • their particular disadvantage is their relatively limited, effective working range at high temperatures from e.g. 200 ° C, under the influence of high static pressures up to e.g. 500 bar or, in the case of the acceleration sensors, at high dynamic loads where accelerations of up to 2000 g occur.
  • the sensitivity of the piezoelectric measuring devices to the described loads is due to the structure of their drive or sensor element.
  • a drive or 30 is usually such a sensor element made of successive and geometrically coordinated piezo-electric Elements, electrodes as well as electrical connectors and connections.
  • Different materials, such as piezoceramic and metal, are combined with one another, which differ in their elasticity modules and their respective coefficients of thermal expansion.
  • extensive mechanical planar voltages arise in the piezoelectric elements themselves, which not only reduce the strength of the sensor element but also the useful or measurement signal ,
  • a monolithic thin-film capacitor constructed in a layered construction has also proven to be advantageous, which also, e.g. in level gauges, can be constructed as a multiple capacitor from thin layers.
  • the layer sequence of the monolith comprises the piezoelectric thin layers and electrodes, electrical connectors arranged along the monolith being provided.
  • a connector (often referred to as a "rail") then connects the electrodes of one pole and another connector connects those of the other pole.
  • a monolithic structure has great stability and strength and allows vibration parameters to be measured very precisely by lowering the relative coefficient of the transverse transformation.
  • this structure is based on an asymmetrical shape of the electrodes, which has on one side a projecting part for connection to a rail and on the opposite side an insulating play to the other rail.
  • Inhomogeneities in the structural design of such drives or sensor elements act however negatively affects the size of the relative coefficient of the transverse transformation.
  • the asymmetrical shape of the electrodes does not allow the entire electrode area of the piezoelectric layers to be charged, as would be desirable to increase the coefficient of the transverse transformation. The smaller the metallization area of the piezoelectric layer under consideration in relation to its actual usable area, the more the coefficient of transformation is reduced.
  • the invention is therefore based on the object of specifying piezo-electric drives or sensor elements and a method for their production which allow measuring instruments equipped therewith, avoid the disadvantages described above and which can also be influenced by high temperatures or high static and Distinguish dynamic loads with great measuring accuracy.
  • the connector is also arranged between the two facing surfaces of the piezoelectric ceramic layers and led out.
  • This object is also achieved by a second variant of the invention by means of an electromechanical drive or a sensor element in a layered construction,
  • a groove is provided which at least partially receives the electrical connector.
  • the connector is a wire extending beyond the surfaces of the piezoelectric ceramic layers.
  • the drive or sensor element in yet another preferred embodiment of the drive or sensor element according to the invention, at least three piezoelectric ceramic layers and at least two grooves are provided, these grooves being arranged offset with respect to one another and with respect to a longitudinal axis of the drive or sensor element.
  • the wire has a wavy or serrated structure.
  • the piezoelectric ceramic layers consist of PZT material, such as, for example, PbMg 0308 Nb 0617 Ti 0075 O 3 , or ceramic layers made of a material with a Curie temperature greater than 400 ° C., for example Na 05 Bi 45 Ti 4 O 15 or Bi 3 TiNb0 9 ..
  • Electrode layers made of a metallic material with a Curie temperature greater than 400 ° C, e.g. made of bismuth titanate.
  • Still further developments of the invention relate to wires made of a metallic material with a high temperature stability greater than 250 ° C. and those made of a silver-containing, stainless steel-containing material or a material that contains a nickel alloy.
  • Solved sensor element in a layered construction which is produced by a method which comprises the following steps:
  • a fill level limit switch is also created, which has a drive and a sensor element according to the invention is equipped, in a further development of such a level limit switch the sensor element is separated from the drive by a non-polarized ceramic layer.
  • an acceleration sensor with a sensor element according to the invention is created.
  • the particular advantage is that the construction according to the invention and the manufacturing method according to the invention make it possible to create a piezoelectric drive or a sensor element in which the coefficient of charge transformation and the measuring accuracy of the sensor element are improved in that the relative coefficient of the transverse Transformation in a wide temperature range and with high static and dynamic loads is reduced.
  • Figure 1 is a perspective view of a multi-layer previously known piezoelectric drive or sensor element.
  • Fig. 2 is a perspective view of a first
  • FIG. 3 is a schematic side view of an expanded
  • Fig. 4 is a schematic representation of several layers of a second embodiment of a piezoelectric
  • FIG. 5 schematic side views of two specially shaped
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of an acceleration sensor with a multilayer piezoelectric sensor element according to the invention.
  • Fig. 7 is a schematic, partially cut open
  • piezoelectric element 1 essentially consists of piezo-ceramic disks 2a, b, c, d in which at least one of the surfaces facing one another is metallized and which are arranged one above the other with the interposition of electrodes 3a, b, c and are joined together in the usual manner and in this way that a structure of a monolithic film capacitor is achieved.
  • FIG. 1 also shows a metallic strip-shaped connector 4, which is fitted on the outside of the outer surface of the piezoelectric element 1 and which electrically connects the electrodes 3a and 3c to one another at two connection points 5a and 5b.
  • Another connector of the same type is usually mounted on the other side of the lateral surface of the piezoelectric element 1, which in turn is electrically connected to the electrode 3b, but cannot be seen in FIG. 1 due to the selected type of illustration.
  • Electrical connecting conductors (not shown here) can usually be connected to both connectors to form a drive or evaluation electronics (also not shown here for the sake of simplicity).
  • the strip-shaped connector 4 In order to prevent the strip-shaped connector 4 from making undesired contact with the electrode 3b, it must be recessed at the point where the connector 4 is provided and virtually spring back into the interior of the piezoelectric element 1. It cannot cover the entire available surface of the disk 2b (or 2c), which, as mentioned at the beginning, has a negative influence on the transformation coefficient at this point of the piezoelectric element 1. The same applies to the connector (not visible here) and the electrode 3a. You too must maintain proper decency towards the connector in order to avoid undesired contacting.
  • the piezoelectric element 10 constructed to form a monolithic layer capacitor comprises four piezo-ceramic disks 12a, 12b. 12c, 12d, into which grooves 14a and 14b as well as grooves 14c and 14d arranged offset by approximately 180 ° are cut.
  • the grooves 14a-d are cut into the finished ceramic disks 12a-d.
  • the surface of each of the ceramic disks 12a-d, which contains the groove 14a-d, is metallized together with the entire surface, as illustrated by the example of the layer designated 16a. After the ceramic disks I2a-d have been joined together in the manner shown in FIG.
  • full-area electrode layers 16a, 16b become through the metallized layers. 16c, 16d.
  • the electrode layers 16a and 16c are conductively connected to one another by a wire drawn into the grooves 14a and 14b as a connector 18a. It is possible in a simple manner to prevent undesired contacting with other electrode layers by slightly projecting the connector beyond the lateral surface of the piezoelectric element 10.
  • a wire-shaped connector 18b connecting the electrode layers 16b and 16d, which was drawn into the grooves 14c and 14d similarly to the connector 18a, is indicated in FIG. 2.
  • a further electrical connecting line to a drive or measuring electronics can be connected in a simple manner to the connectors.
  • the connectors 18a and 18b are not absolutely necessary for the invention to arrange the connectors 18a and 18b in the sense of the loops shown by way of example in FIG. 2. It is equally possible to have the wire-shaped connectors as individual sections, i.e. in the sense of individual wires through the grooves and only then connect the individual wires in the desired manner. In principle, each individual electrode can be controlled individually if desired.
  • the wire-shaped connectors 18a and 18b ensure a permanent connection to the electrodes even at high temperatures and enable a full-surface electrode layer.
  • Ceramic disks are preferably made from PZT material.
  • the suitability of the piezoelectric element 20 according to the invention is further improved if the ceramic disks are made of PbMg 0308 Nb 0617 Ti 0075 O 3 .
  • a particularly high temperature suitability is obtained if the piezoelectric ceramic disks are made of a material with a Curie temperature greater than 400 ° C, for example Na 05 Bi 45 Ti 4 O 15 or Bi 3 TiNbO 9 .
  • the properties of the materials used for the electrode layers and for the wire-shaped connectors should be matched to those used for the ceramic disks. For example, it is recommended to use a metallic material with a Curie temperature greater than 400 ° C for the electrode layers, preferably material made from bismuth titanate. In the case of the wire-shaped connectors, those made of a material with a high temperature stability greater than 250 ° C. have proven to be particularly advantageous, wires made of a silver-containing, stainless steel-containing material or one that should be given preference to a nickel alloy.
  • FIG. 3 shows an expanded piezoelectric element 10 with now six compared to the one that is "upside down” in FIG. 2 Ceramic disks 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, five grooves 14a, 14b, 14c, 14d, 14e and, accordingly, five electrode layers 16b, 16c, 16d, 16e, 16f are shown.
  • the wire-shaped connector 18a does not only run in the grooves 14a, 14b and 14e and therefore connects the electrode layers 16a, 16c, 16e to the same polarity as the wire-shaped connector 18b does with the electrode layers 16b and 16d. Otherwise, what was said above about the piezoelectric element 10 shown in FIG. 2 applies here in the same way.
  • FIG. 4 shows a second and preferred embodiment of a piezoelectric drive or sensor element according to the invention.
  • This sensor element or drive which is called the piezoelectric element 20 for the sake of simplicity, is shown in such a way that the course of the grooves 24a, 24b, 24c, 24d, cut therein is illustrated in the ceramic disks 22a, 22b, 22c, 22d shown spaced apart from one another ,
  • the grooves 24a-d do not run through the center of the ceramic disks 22a-d.
  • the grooves 24a-d do not intersect a longitudinal axis 29 shown in FIG. 4 but run in the general sense of a secant in relation to the circular surfaces of the ceramic disks 22a-d shown here by way of example.
  • the position of the grooves 24a-d is arbitrary per se, but they should, in turn, be offset from one ceramic disk to the other, similarly to the grooves 14a-d in FIG. 2, and preferably such that an overlap of in the grooves 24a and 24c or 24b and 24d arranged connectors 28a or 28b can be excluded.
  • the distance of the grooves 22a-d from the edge of the ceramic disks 22a-d is to be aligned according to the requirements placed on the mechanical strength of the ceramic disks 22a-d. It has been shown that the grooves are preferably arranged halfway between the longitudinal axis 29 and the edge of the respective ceramic disk.
  • the metallized surfaces from which the electrode layers are formed by joining the ceramic disks 22a-d are designated in FIG. 4 by "26a, 26b, 26c, 26d". For the rest, what has already been said about the embodiments of the invention shown in FIGS. 2 and 3 applies.
  • FIG. 5 shows, by way of example, two different designs of the wire-shaped connectors 18a, b and 28a, b (see FIGS. 2 to 4), which have proven to be particularly advantageous in practice. that one and one serrated connector 32b are advantageous.
  • a wave-shaped connector 32a as shown in FIG. 5, as well as a jagged connector 32b, enables a reliable electrical contacting of the electrode layers through its "wave crests" or through its jags, without the respective elastic properties being reduced in the case of the materials mentioned above. It is clear that the corrugation or serration of the wire-shaped connections 32a, b is to be selected so that their threading into the grooves 14a-d or 24a-d (see FIGS. 2 to 4) is not hindered.
  • the electromechanical drives or sensor elements according to the invention shown in FIGS. 2 to 4 are manufactured as follows. The method is explained using the example of the piezoelectric element 10 shown in FIG. 2. Without restricting the invention, the method can also be used for all other possible electromechanical drives or sensor elements according to the invention.
  • the ceramic disks 12a-d are made from an electroactive material described above by a method customary in ceramic technology
  • the ceramic disks 12a-d are then ground until a predetermined thickness S of, for example, 0.15 to 03 mm is reached.
  • a predetermined thickness S for example, 0.15 to 03 mm is reached.
  • the desired groove 14a-d has been cut into each surface of a ceramic disk 12a-d to be metallized, the groove not being allowed to be deeper than half the thickness S of the ceramic layer under consideration, the surface in question, including the groove, is coated with a metal. This is achieved by applying a silver-containing paste at least twice and then tempering at a temperature of 800-820 ° C.
  • the ceramic disks are then connected to one another in the desired manner and depending on the desired alignment of the grooves, two ceramic layers being glued to one another by gluing with cellulose glue.
  • the glued ceramic disks are then used in a suitable frame and baked together by diffusion welding at a temperature of 780-800 ° C. and uniaxial compression under a pressure of 3-5 kg / cm 2 over a period of 3 hours to form a monolithic structure and then until cooled to room temperature.
  • One connector wire each is drawn into a groove, the electrode layers formed by the metallized layers being polarized in the desired manner by the action of an electric field on the connector wires at high temperature.
  • the electrode layers are then interconnected in the desired manner.
  • the desired parameters and the piezoelectric properties of the drive or sensor element are then checked.
  • the sensor element 42 comprises plate-shaped, ie angular ceramic layers 41a, 41b, 41c,
  • the individual ceramic plates 41a-f have central openings similar to those of the ceramic disks 22a-d in FIG. 4, which together form a central, axial passage of the sensor element 42.
  • the fastening rod 44 is fixedly connected to the base plate 46, runs through the central, axial passage of the sensor element 42 and also extends into a section which is provided with a thread 48.
  • the sensor element 40 is therefore placed over the fastening rod 44 and is fastened by means of a retaining nut 50 which is screwed onto the fastening rod 44 and mechanically connected to the base plate 46.
  • Two insulation layers 54a, 54b serve for the electrical insulation of the sensor element 40 from the base plate 46 and a cover 52 forming a housing.
  • the sensor element 40 is constructed essentially in a similar manner to the piezoelectric elements 10 and 20 shown in FIGS. 2 to 4. In contrast to this, however, there are grooves 56a, 56b, 56c, 56d, 56e, 56f for receiving wire-shaped ones Connectors 58a, 58b are provided, which grooves run on the outer edges, so to speak on the edges of the ceramic plates 41a-f.
  • the wire-shaped connectors 58a, b connecting the electrodes of the same polarity in the desired manner run into electrical connecting lines 60a, 60b, which are combined in a cable 62, which in turn is connected to measuring electronics, not shown here.
  • a level measuring device shows an example of a further measuring device, a level measuring device, more precisely: a level limit switch 70, which is equipped with a piezoelectric element 72, which is constructed as a monolithic block both from a drive and from a sensor element according to the invention.
  • the fill level limit switch 70 comprises a housing 74 and two oscillating rods 76a, 76b attached to it.
  • the functions of such level limit switches with tuning fork-like vibrating rods are generally known and are therefore not explained further here.
  • the piezoelectric element 72 is fastened in the interior of the housing 74 by means of a fastening element 78.
  • the housing also accommodates drive and measuring electronics 80, shown schematically here.
  • the piezo-electric element 72 is again made up of piezo-ceramic disks 82a, 82b, 82c, 82d, 82e, 82f and electrode layers (not shown here), similar to the piezo-electric element according to FIG. 3.
  • a sensor element is formed with ceramic disks 82a, 82b and 82c and a drive with ceramic disks 82e and 82f.
  • a non-metallized ceramic disk 82d is provided in between.
  • the piezoelectric element 72 also has two terminating elements 84a, 84b, with which it bears on the one hand on a part of the housing 74 forming a membrane 86 and on the other hand on the fastening element 78. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to an electromechanical drive or a sensor element comprised of stacked piezoelectric elements. The drive or sensor element is provided for measuring instruments and also operates at very high temperatures. To this end, the novel drive or sensor element (10) comprises several piezoelectric ceramic layers (12a - f), whereby each electrode layer (16a - e) is arranged between the two facing surfaces of each set of directly adjacent piezoelectric ceramic layers. Wire-shaped connectors (18 a - b), which are provided for electrically contacting the electrode layers (16a - e) and which lead out of said electrode layers (16a - e), extend inside grooves (14a - d) located in the electrode layers (16a - e).

Description

PIEZOKERAMISCHER MEHRSCHICHTBAUTEIL FÜR MESSGERÄTE SOWIE DESSEN HERSTELLUNGSVERFAHRENPIEZOCERAMIC MULTILAYER COMPONENT FOR MEASURING DEVICES AND THEIR PRODUCTION METHOD
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Antrieb bzw. ein 5 Sensorelement für ein Meßgeräte sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Sie betrifft insbesondere in Stapelbauweise aus piezoelektrischen Elementen gefertigte Antriebe und Sensorelemente und die damit ausgerüsteten Meßgeräte.The invention relates to an electromechanical drive or a 5 sensor element for a measuring device and a method for their production. It relates in particular to drives and sensor elements made of piezoelectric elements and the measuring devices equipped with them in a stacked construction.
10 Bekannte Meßgeräte dieser Art sind z.B. piezo-elektrische Beschleunigungssensoren und Füllstandsmeßgeräte. Diese Meßgeräte umfassen meist einen Grundkörper, auf dem der Antrieb bzw. das Sensorelement angebracht ist, wobei diese piezoelektrische Elemente, Elektroden und elektrischen Verbinder und10 Known measuring devices of this type are e.g. piezoelectric acceleration sensors and level measuring devices. These measuring devices usually comprise a base body on which the drive or the sensor element is attached, these being piezoelectric elements, electrodes and electrical connectors and
15 Anschlüsse enthalten. Die piezo-elektrischen Elemente sind elektrisch miteinander verbunden und an eine dem Anwendungsfall entsprechende Elektronikschaltung angeschlossen.15 connections included. The piezoelectric elements are electrically connected to one another and connected to an electronic circuit corresponding to the application.
Derartige piezo-elektrische Meßgeräte zeigen eine relativ große 20 Ladungsempfindlichkeit und eine relativ geringe transversale Empfindlichkeit. Ihr besonderer Nachteil ist jedoch ihr relativ begrenzter, effektiver Arbeitsbereich bei hohen Temperaturen ab z.B. 200°C, unter Einwirkung hoher statischer Drücke bis z.B. 500 bar oder, im Falle der Beschleunigungssensoren, bei hohen dynamischen 25 Belastungen, bei denen Beschleunigungen bis zu 2000g auftreten.Piezoelectric measuring devices of this type show a relatively large charge sensitivity and a relatively low transverse sensitivity. However, their particular disadvantage is their relatively limited, effective working range at high temperatures from e.g. 200 ° C, under the influence of high static pressures up to e.g. 500 bar or, in the case of the acceleration sensors, at high dynamic loads where accelerations of up to 2000 g occur.
Die Empfindlichkeit der piezo-elektrischen Meßgeräte gegenüber den geschilderten Belastungen ist durch den Aufbau ihres Antriebs bzw. Sensorelements bedingt. Üblicherweise ist ein solcher Antrieb bzw. 30 ein solches Sensorelement aus aufeinander folgenden und geometrisch aufeinander abgestimmten piezo-elektrischen Elementen, Elektroden sowie aus elektrischen Verbindern und Anschlüssen aufgebaut. Es werden also verschiedenen Materialien, wie z.B. Piezokeramik und Metall, miteinander kombiniert, die sich in ihren Elastizitätsmodulen und ihren jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Unter dem Einfluß der erwähnten hohen Temperaturen und/oder großen statischen und dynamischen Belastungen des Sensorelements bzw. des Antriebs entstehen in den piezo-elektrischen Elementen selbst ausgedehnte mechanische planare Spannungen, die nicht nur die Festigkeit des Sensorelements sondern auch das Nutz- bzw. Meßsignal mindern.The sensitivity of the piezoelectric measuring devices to the described loads is due to the structure of their drive or sensor element. Such a drive or 30 is usually such a sensor element made of successive and geometrically coordinated piezo-electric Elements, electrodes as well as electrical connectors and connections. Different materials, such as piezoceramic and metal, are combined with one another, which differ in their elasticity modules and their respective coefficients of thermal expansion. Under the influence of the aforementioned high temperatures and / or large static and dynamic loads on the sensor element or the drive, extensive mechanical planar voltages arise in the piezoelectric elements themselves, which not only reduce the strength of the sensor element but also the useful or measurement signal ,
Bei bekannten Meßgeräten der beschriebenen Art hat sich außerdem ein in Schichtbauweise aufgebauter monolithischer Dünnschichtkondensator als vorteilhaft erwiesen, der auch, wie z.B. bei Füllstandsmeßgeräten, als Mehrfach-Kondensator aus dünnen Schichten aufgebaut sein kann. Hierbei umfaßt die Schichtfolge des Monoliths die piezo-elektrischen Dünnschichten und Elektroden, wobei längs des Monoliths angeordnete elektrische Verbinder vorgesehen sind. Üblicherweise verbindet dann ein Verbinder (vielfach auch als "Schiene" bezeichnet) die Elektroden des einen Pols und ein anderer Verbinder die des anderen Pols. Ein derartiger monolithischer Aufbau besitzt eine große Stabilität und Festigkeit und gestattet, Vibrationsparameter durch die Senkung des relativen Koeffizienten der transversalen Transformation recht genau zu messen.In known measuring devices of the type described, a monolithic thin-film capacitor constructed in a layered construction has also proven to be advantageous, which also, e.g. in level gauges, can be constructed as a multiple capacitor from thin layers. The layer sequence of the monolith comprises the piezoelectric thin layers and electrodes, electrical connectors arranged along the monolith being provided. Usually, a connector (often referred to as a "rail") then connects the electrodes of one pole and another connector connects those of the other pole. Such a monolithic structure has great stability and strength and allows vibration parameters to be measured very precisely by lowering the relative coefficient of the transverse transformation.
Dieser Aufbau basiert jedoch auf einer asymmetrischen Form der Elektroden, die auf der einen Seite einen vorspringenden Teil für die Verbindung mit einer Schiene und auf der gegenüberliegenden Seite ein isolierendes Spiel zur anderen Schiene hat. Inhomogenitäten im strukturellen Aufbau solcher Antriebe bzw. Sensorelemente wirken sich jedoch negativ auf die Größe des relativen Koeffizienten der transversalen Transformation aus. Außerdem erlaubt die asymmetrischen Form der Elektroden nicht, die gesamte Elektrodenfläche der piezo-elektrischen Schichten aufzuladen, wie es zur Vergrößerung des Koeffizienten der transversalen Transformation wünschenswert wäre. Je geringer die Metallisierungsfläche des betrachteten piezo-elektrischen Schicht im Verhältnis zu ihrer eigentlichen Nutzfläche ist, desto mehr verringert sich der Koeffizienten der Transformation.However, this structure is based on an asymmetrical shape of the electrodes, which has on one side a projecting part for connection to a rail and on the opposite side an insulating play to the other rail. Inhomogeneities in the structural design of such drives or sensor elements act however negatively affects the size of the relative coefficient of the transverse transformation. In addition, the asymmetrical shape of the electrodes does not allow the entire electrode area of the piezoelectric layers to be charged, as would be desirable to increase the coefficient of the transverse transformation. The smaller the metallization area of the piezoelectric layer under consideration in relation to its actual usable area, the more the coefficient of transformation is reduced.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, piezo-elektrische Antriebe bzw. Sensorelemente und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, die es bei damit ausgerüstete Meßgeräte erlauben, die oben geschilderten Nachteile vermeiden und die sich auch unter dem Einfluß hoher Temperaturen bzw. hoher statischer und dynamischer Belastungen durch eine große Meßgenauigkeit auszeichnen.The invention is therefore based on the object of specifying piezo-electric drives or sensor elements and a method for their production which allow measuring instruments equipped therewith, avoid the disadvantages described above and which can also be influenced by high temperatures or high static and Distinguish dynamic loads with great measuring accuracy.
Diese Aufgabe wird von einer ersten Variante der Erfindung gelöst durch einen elektromechanischen Antrieb bzw. ein Sensorelement in Schichtbauweise, der bzw. dasThis object is achieved by a first variant of the invention by means of an electromechanical drive or a sensor element in a layered construction, the or that
- aus mehreren piezo-elektrischen Keramikschichten,- from several piezoelectric ceramic layers,
- einer zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen von direkt benachbarten piezo-elektrischen Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht und- An electrode layer arranged between two mutually facing surfaces of directly adjacent piezoelectric ceramic layers and
- einem elektrischen Verbinder zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht umfaßt,an electrical connector for making electrical contact with the electrode layer,
- wobei der Verbinder ebenfalls zwischen den zwei einander zugewandten Oberflächen der piezo-elektrischen Keramikschichten angeordnet und herausgeführt ist. Diese Aufgabe wird außerdem von einer zweiten Variante der Erfindung gelöst durch einen elektromechanischen Antrieb bzw. ein Sensorelement in Schichtbauweise,- The connector is also arranged between the two facing surfaces of the piezoelectric ceramic layers and led out. This object is also achieved by a second variant of the invention by means of an electromechanical drive or a sensor element in a layered construction,
- mit mehreren piezo-elektrischen Keramikschichten, - bei dem einander zugewandte Oberflächen von direkt benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten durch Aufbringen einer Metallbeschichtung metallisiert, -- die mittels Diffusionsschweißen zusammengefügt sind,with a plurality of piezoelectric ceramic layers, in which the mutually facing surfaces of directly adjacent piezoelectric ceramic layers are metallized by applying a metal coating, which are joined together by means of diffusion welding,
-- so daß durch die metallisierten Oberflächen eine Elektrodenschicht gebildet wird,- so that an electrode layer is formed by the metallized surfaces,
— die über einen elektrischen Verbinder kontaktierbar ist.- Which can be contacted via an electrical connector.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in mindestens einer der zwei einander zugewandten Oberflächen der piezo-elektrischen Keramikschichten eine Nut vorgesehen ist, die den elektrischen Verbinder wenigstens teilweise aufnimmt.In a preferred embodiment of the invention it is provided that in at least one of the two mutually facing surfaces of the piezoelectric ceramic layers a groove is provided which at least partially receives the electrical connector.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbinder ein sich über die Oberflächen der piezo-elektrischen Keramikschichten hinaus erstreckender Draht.In another preferred embodiment of the invention, the connector is a wire extending beyond the surfaces of the piezoelectric ceramic layers.
Bei noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Antriebs bzw. Sensorelements nach der Erfindung sind wenigstens drei piezoelektrischen Keramikschichten und wenigstens zwei Nuten vorgesehen, wobei diese Nuten zueinander und in Bezug auf eine Längsachse des Antriebs bzw. Sensorelements versetzt angeordnet sind. In einer Weiterbildung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Draht eine wellige oder gezackte Struktur.In yet another preferred embodiment of the drive or sensor element according to the invention, at least three piezoelectric ceramic layers and at least two grooves are provided, these grooves being arranged offset with respect to one another and with respect to a longitudinal axis of the drive or sensor element. In a development of a preferred embodiment of the invention, the wire has a wavy or serrated structure.
In anderen Weiterbildungen der Erfindung bestehen die piezo- elektrischen Keramikschichten aus PZT-Material, wie z.B. aus PbMg0308Nb0617Ti0075O3, oder aus Keramikschichten aus einem Material mit einer Curie-Temperatur größer 400°C besteht, beispielsweise aus Na05Bi45Ti4O15 bzw. Bi3TiNb09..In other developments of the invention, the piezoelectric ceramic layers consist of PZT material, such as, for example, PbMg 0308 Nb 0617 Ti 0075 O 3 , or ceramic layers made of a material with a Curie temperature greater than 400 ° C., for example Na 05 Bi 45 Ti 4 O 15 or Bi 3 TiNb0 9 ..
Bei anderen Weiterbildungen der Erfindung bestehen dieIn other developments of the invention
Elektrodenschichten aus einem metallischen Material mit einer Curie- Temperatur größer 400°C, wie z.B. aus Wismut-Titanat.Electrode layers made of a metallic material with a Curie temperature greater than 400 ° C, e.g. made of bismuth titanate.
Noch andere Weiterbildungen der Erfindung betreffen Drähte aus einem metallischen Material mit einer Hochtemperaturstabilität größer 250°C und solche aus einem silberhaltigen, edelstahlhaltigen Material oder einem Material, das eine Nickellegierung enthält.Still further developments of the invention relate to wires made of a metallic material with a high temperature stability greater than 250 ° C. and those made of a silver-containing, stainless steel-containing material or a material that contains a nickel alloy.
Die erwähnte, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darüber hinaus durch einen elektromechanischen Antrieb bzw. einThe mentioned object on which the invention is based is also achieved by an electromechanical drive or a
Sensorelement in Schichtbauweise gelöst, das nach einem Verfahren, welches folgende Schritte umfaßt, hergestellt wird:Solved sensor element in a layered construction, which is produced by a method which comprises the following steps:
- Herstellen von keramischer Schichten aus elektroaktiven Material nach einem in der Keramiktechnologie üblichen Verfahren mit gewünschten Abmessungen und mit einer Reserve von 2-3 mm für jedes Maß unter Berücksichtigung der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung; - Schleifen der keramischen Schichten bis eine vorgegebene Stärke von beispielsweise 0,15 bis 03 mm erreicht wird;- Manufacture of ceramic layers from electroactive material according to a method common in ceramic technology with desired dimensions and with a reserve of 2-3 mm for each dimension, taking into account the subsequent mechanical processing; - Grinding the ceramic layers to a predetermined thickness of for example 0.15 to 03 mm is reached;
- Schneiden einer Nut in eine zu metallisierende Seite der Keramikschichten;- Cutting a groove in a side of the ceramic layers to be metallized;
- wobei die Tiefe der Nut nicht tiefer als die Hälfte der Stärke der betrachteten Keramikschicht sein darf;- The depth of the groove must not be deeper than half the thickness of the ceramic layer under consideration;
- Metallbeschichten wenigstens dieser Seite der Keramikschichten durch zweimaliges Aufbringen einer silberhaltigen Paste und nachfolgendes Tempern bei einer Temperatur von 800-820°C;- Metal coating at least this side of the ceramic layers by twice applying a silver-containing paste and subsequent annealing at a temperature of 800-820 ° C;
- Leimen der metallisierten Oberflächen von zwei Keramikschichten mit einem Zelluloseleim;- gluing the metallized surfaces of two ceramic layers with a cellulose glue;
- Diffusionsschweißen der geleimten Schichten durch Tempern auf eine- Diffusion welding of the glued layers by annealing on a
Temperatur von 780-800°C und einachsiger Kompression unter einemTemperature of 780-800 ° C and uniaxial compression under one
Druck von 3-5 kg/cm2 im Verlauf von 3 Stunden und Abkühlung bis auf Zimmertemperatur;Pressure of 3-5 kg / cm 2 in the course of 3 hours and cooling to room temperature;
- Einziehen je eines Verbinder-Drahtes in eine Nut;- pulling a connector wire into a groove;
- Einwirkung eines elektrischen Feldes auf die Drähte unter Hochtemperatur und Einrichten der gewünschten Polarität der Elektrodenschichten durch- Action of an electric field on the wires under high temperature and establishment of the desired polarity of the electrode layers
Verbinden gleicher Pole des Antriebs bzw. des Sensorelements;Connecting the same poles of the drive or the sensor element;
- Kontrolle der gewünschten Parameter und piezo-elektrischen Eigenschaften des Antriebs bzw. des Sensorelements .- Checking the desired parameters and piezo-electric properties of the drive or the sensor element.
Es wird weiterhin ein Füllstandsgrenzschalter geschaffen, der mit einem Antrieb und einem Sensorelement nach der Erfindung ausgerüstet ist, wobei in einer Weiterbildung eines solchen Füllstandsgrenzschalters das Sensorelement vom Antrieb durch eine nicht-polarisierte Keramikschicht getrennt wird.A fill level limit switch is also created, which has a drive and a sensor element according to the invention is equipped, in a further development of such a level limit switch the sensor element is separated from the drive by a non-polarized ceramic layer.
Außerdem wird ein Beschleunigungssensor mit einem Sensorelement nach der Erfindung geschaffen.In addition, an acceleration sensor with a sensor element according to the invention is created.
Der besondere Vorteil ist, daß es durch den erfindungsgemäßen Aufbau und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gelingt, einen piezo-elektrischen Antrieb bzw. ein Sensorelement zu schaffen, bei dem der Koeffizient der Ladungstransformation und die Meßgenauigkeit beim Sensorelement dadurch verbessert werden, daß der relative Koeffizient der transversalen Transformation in einem großen Temperaturbereich und bei hohen statischen und dynamischen Belastungen verringert wird.The particular advantage is that the construction according to the invention and the manufacturing method according to the invention make it possible to create a piezoelectric drive or a sensor element in which the coefficient of charge transformation and the measuring accuracy of the sensor element are improved in that the relative coefficient of the transverse Transformation in a wide temperature range and with high static and dynamic loads is reduced.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrere Ausführungsbeispiele und unter Bezug auf eine Zeichnung ausführlich erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:The invention is explained and described in detail below using several exemplary embodiments and with reference to a drawing. Show:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines mehrschichtigen bisher bekannten piezo-elektrischen Antriebs bzw. Sensorelements;Figure 1 is a perspective view of a multi-layer previously known piezoelectric drive or sensor element.
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer erstenFig. 2 is a perspective view of a first
Ausführungsform eines mehrschichtigen piezo-elektrischen Antriebs bzw. Sensorelements nach der Erfindung; Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer erweitertenEmbodiment of a multilayer piezoelectric drive or sensor element according to the invention; Fig. 3 is a schematic side view of an expanded
Antriebs bzw. Sensorelements nach Fig. 2;Drive or sensor element according to Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung mehrerer Schichten einer zweiten Ausführungsform eines piezo-elektrischenFig. 4 is a schematic representation of several layers of a second embodiment of a piezoelectric
Antriebs bzw. Sensorelements nach der Erfindung;Drive or sensor element according to the invention;
Fig. 5 schematische Seitenansichten zweier besonders geformterFig. 5 schematic side views of two specially shaped
Drähte für einen Antrieb bzw. ein Sensorelement nach derWires for a drive or a sensor element according to the
Erfindung;Invention;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Beschleunigungssensors mit einem mehrschichtigen piezo-elektrischen Sensorelements nach der Erfindung; und6 shows a sectional illustration of an acceleration sensor with a multilayer piezoelectric sensor element according to the invention; and
Fig. 7 eine schematische, teilweise aufgeschnitteneFig. 7 is a schematic, partially cut open
Darstellung eines Füllstandsgrenzschalters mit einem piezo-elektrischenRepresentation of a level switch with a piezo-electric
Antrieb und einem piezo-elektrischen Sensorelement nach derDrive and a piezoelectric sensor element according to the
Erfindung.Invention.
Um die wesentliche Unterschiede der Erfindung zum Stand derTo the essential differences of the invention from the prior art
Technik aufzeigen zu können, ist in Fig. 1 ein bisher bekannter piezo- elektrischer Antrieb bzw. ein bisher bekanntes piezo-elektrisches Sensorelement 1 dargestellt. Dieses wird nachfolgend und der Einfachheit halber als piezo-elektrisches Element 1 bezeichnet. Es besteht im wesentlichen aus piezo-keramischen Scheiben 2a, b, c, d, bei denen wenigstens eine der zueinander zugewandten Oberflächen metallisiert und die so, unter Zwischenfügen von Elektroden 3a, b, c aufeinander angeordnet und miteinander auf übliche Weise und so zusammengefügt sind, daß ein Aufbau eines monolithischen Schichtkondensators erreicht wird. In Fig. 1 ist auch ein außen auf der Mantelfläche des piezo-elektrischen Elements 1 angebrachter, metallischer streifenförmiger Verbinder 4 dargestellt, der die Elektroden 3a und 3c in zwei Verbindungspunkten 5a und 5b elektrisch miteinander verbindet. Ein anderer Verbinder von gleichem Typ ist üblicherweise auf der anderen Seite der Mantelfläche des piezo-elektrischen Elements 1 angebracht, der wiederum mit der Elektrode 3b elektrisch verbunden, aber wegen der gewählten Art der Darstellung in Fig. 1 nicht zu sehen ist. An beiden Verbindern können üblicherweise hier nicht dargestellte, elektrische Verbindungsleiter zu einer ebenfalls hier der Einfachheit halber nicht dargestellten Antriebs- bzw. Auswerteelektronik angeschlossen werden.To be able to demonstrate technology is a previously known piezoelectric Electric drive or a previously known piezoelectric sensor element 1 is shown. This is referred to below and for the sake of simplicity as piezoelectric element 1. It essentially consists of piezo-ceramic disks 2a, b, c, d in which at least one of the surfaces facing one another is metallized and which are arranged one above the other with the interposition of electrodes 3a, b, c and are joined together in the usual manner and in this way that a structure of a monolithic film capacitor is achieved. 1 also shows a metallic strip-shaped connector 4, which is fitted on the outside of the outer surface of the piezoelectric element 1 and which electrically connects the electrodes 3a and 3c to one another at two connection points 5a and 5b. Another connector of the same type is usually mounted on the other side of the lateral surface of the piezoelectric element 1, which in turn is electrically connected to the electrode 3b, but cannot be seen in FIG. 1 due to the selected type of illustration. Electrical connecting conductors (not shown here) can usually be connected to both connectors to form a drive or evaluation electronics (also not shown here for the sake of simplicity).
Um zu verhindern, daß der streifenförmige Verbinder 4 einen unerwünschten Kontakt zur Elektrode 3b herstellt, muß sie an der Stelle, wo der Verbinder 4 vorgesehen ist, ausgespart werden und quasi in das Innere des piezo-elektrischen Elements 1 zurückspringen. Sie kann also nicht die gesamte zur Verfügung stehende Fläche der Scheibe 2b (oder 2c) bedecken, was, wie eingangs erwähnt, den Transformationskoeffizienten an dieser Stelle des piezo-elektrischen Elements 1 negativ beeinflußt. Das Gleiche gilt für den hier nicht sichtbaren Verbinder und die Elektrode 3a. Auch sie muß einen gebührenden Anstand zum Verbinder wahren, um eine unerwünschte Kontaktierung zu vermeiden.In order to prevent the strip-shaped connector 4 from making undesired contact with the electrode 3b, it must be recessed at the point where the connector 4 is provided and virtually spring back into the interior of the piezoelectric element 1. It cannot cover the entire available surface of the disk 2b (or 2c), which, as mentioned at the beginning, has a negative influence on the transformation coefficient at this point of the piezoelectric element 1. The same applies to the connector (not visible here) and the electrode 3a. You too must maintain proper decency towards the connector in order to avoid undesired contacting.
Ein anderer Nachteil des in Fig. 1 bekannten piezo-elektrischen Elements 1 wurde ebenfalls bereits eingangs erwähnt. Flächige bzw. streifenförmige metallische Verbinder wie der Verbinder 4 zeigen bei höheren Temperaturen ein dadurch bedingtes Ausdehnungsverhalten, das sich von dem der keramischen Scheiben 2a - d bemerkenswert unterscheidet. Dieser thermisch bedingte Effekt kann soweit gehen, daß die Verbindungspunkte 5a, b zerstört werden können, wodurch die gesamte Funktion des piezo-elektrischen Elements 1 in Frage gestellt wird.Another disadvantage of the piezoelectric element 1 known in FIG. 1 has also already been mentioned at the beginning. Flat or strip-shaped metallic connectors, such as connector 4, exhibit an expansion behavior at higher temperatures, which differs remarkably from that of ceramic disks 2a-d. This thermally induced effect can go so far that the connection points 5a, b can be destroyed, as a result of which the entire function of the piezoelectric element 1 is questioned.
Vorteilhafter ist ein in der Fig. 2 dargestellter piezo-elektrischer Antrieb bzw. ein Sensorelement 10, das eine erste und bevorzugteA piezoelectric drive or a sensor element 10 shown in FIG. 2, which is a first and preferred, is more advantageous
Ausführungsform der Erfindung ist. Das zu einem monolithischen Schichtkondensator aufgebaute piezo-elektrische Element 10 umfaßt bei diesem Beispiel vier piezo-keramische Scheiben 12a, 12b. 12c, 12d, in die jeweils Nuten 14a und 14b sowie um etwa 180° versetzt dazu angeordnete Nuten 14c und 14d eingeschnitten sind. Die Nuten 14a-d werden, wie später noch erklärt wird, in die fertig bearbeiteten Keramikscheiben 12a-d eingeschnitten. Die Oberfläche jeder der Keramikscheiben 12a-d, die die Nut 14a-d enthält, wird zusammen mit dieser vollflächig metallisiert, wie es am Beispiel der mit 16a bezeichneten Schicht veranschaulicht wird. Nach dem Zusammenfügen der Keramikscheiben I2a-d in der Fig. 2 abgebildeten Weise und vorzugsweise durch Diffusionsschweißen werden durch die metallisierten Schichten vollflächige Elektrodenschichten 16a, 16b. 16c, 16d gebildet. Durch einen in die Nuten 14a und 14b eingezogenen Draht als Verbinder 18a werden die Elektrodenschichten 16a und 16c leitend miteinander verbunden. Dabei ist es auf einfache Weise möglich durch geringfügigen Überstand des Verbinders über die Mantelfläche des piezoelektrischen Elementes 10 hinaus, unerwünschte Kontaktierungen mit anderen Elektrodenschichten zu vermeiden. Ein die Elektrodenschichten 16b und 16d verbindender drahtförmiger Verbinder 18b, der ähnlich dem Verbinder 18a in die Nuten 14c und 14d eingezogen wurde, ist in Fig. 2 angedeutet. An die Verbinder kann auf einfache Weise jeweils eine weitere elektrische Verbindungsleitung zu einer Antriebs- bzw. Meßelektronik angeschlossen werden.Embodiment of the invention is. In this example, the piezoelectric element 10 constructed to form a monolithic layer capacitor comprises four piezo-ceramic disks 12a, 12b. 12c, 12d, into which grooves 14a and 14b as well as grooves 14c and 14d arranged offset by approximately 180 ° are cut. As will be explained later, the grooves 14a-d are cut into the finished ceramic disks 12a-d. The surface of each of the ceramic disks 12a-d, which contains the groove 14a-d, is metallized together with the entire surface, as illustrated by the example of the layer designated 16a. After the ceramic disks I2a-d have been joined together in the manner shown in FIG. 2 and preferably by diffusion welding, full-area electrode layers 16a, 16b become through the metallized layers. 16c, 16d. The electrode layers 16a and 16c are conductively connected to one another by a wire drawn into the grooves 14a and 14b as a connector 18a. It is possible in a simple manner to prevent undesired contacting with other electrode layers by slightly projecting the connector beyond the lateral surface of the piezoelectric element 10. A wire-shaped connector 18b connecting the electrode layers 16b and 16d, which was drawn into the grooves 14c and 14d similarly to the connector 18a, is indicated in FIG. 2. A further electrical connecting line to a drive or measuring electronics can be connected in a simple manner to the connectors.
Selbstverständlich ist es für die Erfindung nicht zwingend erforderlich, die Verbinder 18a und 18b im Sinne der in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Schlaufen anzuordnen. Es ist genauso gut möglich, die drahtförmigen Verbinder jeweils als einzelne Abschnitte, d.h. im Sinne einzelner Drähte durch die Nuten zu ziehen und erst danach die einzelnen Drähte in der gewünschten Weise miteinander zu verbinden. So kann, falls gewünscht, im Prinzip jede einzelne Elektrode einzeln angesteuert werden. Die drahtförmigen Verbinder 18a und 18b gewährleisten eine dauerhafte Verbindung zu den Elektroden auch bei hohen Temperaturen und ermöglichen eine vollflächige Elektrodenschicht.Of course, it is not absolutely necessary for the invention to arrange the connectors 18a and 18b in the sense of the loops shown by way of example in FIG. 2. It is equally possible to have the wire-shaped connectors as individual sections, i.e. in the sense of individual wires through the grooves and only then connect the individual wires in the desired manner. In principle, each individual electrode can be controlled individually if desired. The wire-shaped connectors 18a and 18b ensure a permanent connection to the electrodes even at high temperatures and enable a full-surface electrode layer.
Aus Festigkeitsgründen ist es empfehlenswert, die Nuten nicht tiefer in die Keramikschichten einzuschneiden als die Hälfte der durch "S" in Fig. 2 veranschaulichten Stärke der jeweiligen Keramikscheibe. Als besonders vorteilhaft hat sich in der Praxis eine Nuttiefe erwiesen, die etwa dem 0,3-fachen der Stärke der betreffenden Keramikscheibe entspricht. Vorzugsweise werden Keramikscheiben aus PZT-Material hergestellt. Die Eignung des piezo-elektrischen Elementes 20 nach der Erfindung wird noch verbessert, wenn die Keramikscheiben aus PbMg0308Nb0617Ti0075O3 bestehen. Eine besondere Hochtemperatureignung erhält man, wenn die piezo-elektrischen Keramikscheiben aus einem Material mit einer Curie-Temperatur größer 400°C bestehen, beispielsweise aus Na05Bi45Ti4O15 bzw. Bi3TiNbO9.For reasons of strength, it is advisable not to cut the grooves deeper into the ceramic layers than half the thickness of the respective ceramic disk illustrated by "S" in FIG. 2. In practice, a groove depth that is approximately 0.3 times the thickness of the ceramic disk in question has proven to be particularly advantageous. Ceramic disks are preferably made from PZT material. The suitability of the piezoelectric element 20 according to the invention is further improved if the ceramic disks are made of PbMg 0308 Nb 0617 Ti 0075 O 3 . A particularly high temperature suitability is obtained if the piezoelectric ceramic disks are made of a material with a Curie temperature greater than 400 ° C, for example Na 05 Bi 45 Ti 4 O 15 or Bi 3 TiNbO 9 .
Die für die Elektrodenschichten und für die drahtförmigen Verbinder verwendeten Materialien sollten in ihren Eigenschaften an diejenigen für die Keramikscheiben verwendeten Materialien angepaßt sein. So empfiehlt es sich für die Elektrodenschichten ein metallischen Material mit einer Curie-Temperatur größer 400°C zu verwenden, vorzugsweise Material aus Wismut-Titanat. Bei den drahtförmigen Verbindern haben sich solche aus einem Material mit einer Hochtemperaturstabilität größer 250°C als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei Drähten aus einem silberhaltigen, edelstahlhaltigen Material oder einem solchen, das eine Nickellegierung der Vorzug gegeben werden sollte.The properties of the materials used for the electrode layers and for the wire-shaped connectors should be matched to those used for the ceramic disks. For example, it is recommended to use a metallic material with a Curie temperature greater than 400 ° C for the electrode layers, preferably material made from bismuth titanate. In the case of the wire-shaped connectors, those made of a material with a high temperature stability greater than 250 ° C. have proven to be particularly advantageous, wires made of a silver-containing, stainless steel-containing material or one that should be given preference to a nickel alloy.
Zur Verdeutlichung der vielfältigen Möglichkeiten und Ausführungen, die sich mit einem piezo-elektrischen Element 10 nach der Erfindung ergeben, ist in Fig. 3 ein gegenüber dem in Fig. 2 quasi "auf dem Kopf stehendes" erweitertes piezo-elektrisches Element 10 mit nunmehr sechs Keramikscheiben 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, fünf Nuten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e und dementsprechend fünf Elektrodenschichten 16b, 16c, 16d, 16e, 16f abgebildet. In Fortführung des in Fig. 2 dargestellten Aufbaus verläuft der drahtförmige Verbinder 18a nicht nur in den Nuten 14a, 14b und 14e und verbindet daher die Elektrodenschichten 16a, 16c, 16e zu einer gleichen Polarität, wie es auch der drahtförmige Verbinder 18b mit den Elektrodenschichten 16b und 16d tut. Im übrigen gilt das, was zu dem in Fig. 2 dargestellten piezo-elektrische Element 10 oben gesagt wurde hier in gleicher Weise.In order to illustrate the various possibilities and designs which result with a piezoelectric element 10 according to the invention, FIG. 3 shows an expanded piezoelectric element 10 with now six compared to the one that is "upside down" in FIG. 2 Ceramic disks 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, five grooves 14a, 14b, 14c, 14d, 14e and, accordingly, five electrode layers 16b, 16c, 16d, 16e, 16f are shown. In continuation of the construction shown in FIG. 2, the wire-shaped connector 18a does not only run in the grooves 14a, 14b and 14e and therefore connects the electrode layers 16a, 16c, 16e to the same polarity as the wire-shaped connector 18b does with the electrode layers 16b and 16d. Otherwise, what was said above about the piezoelectric element 10 shown in FIG. 2 applies here in the same way.
Fig. 4 zeigt eine zweite und bevorzugte Ausführungsform eines piezoelektrischen Antriebs bzw. Sensorelements nach der Erfindung. Dieses der Einfachheit halber, wie oben, piezo-elektrisches Element 20 genanntes Sensorelement bzw. Antrieb ist so dargestellt, daß in den voneinander beabstandet gezeigten Keramikscheiben 22a, 22b, 22c, 22d der Verlauf dort eingeschnittener Nuten 24a, 24b, 24c, 24d verdeutlicht wird. Im Gegensatz zu den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Nuten 14a-e verlaufen die Nuten 24a-d nicht durch die Mitte der Keramikscheiben 22a-d. Die Nuten 24a-d schneiden nicht eine in Fig. 4 dargestellte Längsachse 29 sondern verlaufen im allgemeinen Sinne einer Sekante bezogen die hier beispielhaft dargestellte kreisförmigen Oberflächen der Keramikscheiben 22a-d.4 shows a second and preferred embodiment of a piezoelectric drive or sensor element according to the invention. This sensor element or drive, which is called the piezoelectric element 20 for the sake of simplicity, is shown in such a way that the course of the grooves 24a, 24b, 24c, 24d, cut therein is illustrated in the ceramic disks 22a, 22b, 22c, 22d shown spaced apart from one another , In contrast to the grooves 14a-e shown in FIGS. 2 and 3, the grooves 24a-d do not run through the center of the ceramic disks 22a-d. The grooves 24a-d do not intersect a longitudinal axis 29 shown in FIG. 4 but run in the general sense of a secant in relation to the circular surfaces of the ceramic disks 22a-d shown here by way of example.
Die Lage der Nuten 24a-d ist zwar an sich beliebig, sie sollten allerdings ähnlich den Nuten 14a-d in der Fig. 2 wiederum von einer Keramikscheibe zur anderen versetzt angeordnet verlaufen, und zwar vorzugsweise derart, daß eine Überlappung von in den Nuten 24a und 24c bzw. 24b und 24d angeordneten Verbindern 28a bzw. 28b ausgeschlossen werden kann. Der Abstand der Nuten 22a-d vom Rand der Keramikscheiben 22a-d ist danach auszurichten, welche Anforderungen an die mechanische Festigkeit der Keramikscheiben 22a-d gestellt werden. Es hat sich gezeigt, daß die Nuten vorzugsweise auf halbem Abstand zwischen der Längsachse 29 und dem Rand der jeweiligen Keramikscheibe angeordnet werden. Die metallisierten Oberflächen, aus denen durch Zusammenfügen der Keramikscheiben 22a-d die Elektrodenschichten gebildet werden (siehe dazu auch Fig. 2 und Fig. 3) sind in Fig. 4 mit "26a, 26b, 26c, 26d" bezeichnet. Im übrigen gilt das, was bereits zu den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung gesagt wurde.The position of the grooves 24a-d is arbitrary per se, but they should, in turn, be offset from one ceramic disk to the other, similarly to the grooves 14a-d in FIG. 2, and preferably such that an overlap of in the grooves 24a and 24c or 24b and 24d arranged connectors 28a or 28b can be excluded. The distance of the grooves 22a-d from the edge of the ceramic disks 22a-d is to be aligned according to the requirements placed on the mechanical strength of the ceramic disks 22a-d. It has been shown that the grooves are preferably arranged halfway between the longitudinal axis 29 and the edge of the respective ceramic disk. The metallized surfaces from which the electrode layers are formed by joining the ceramic disks 22a-d (see also FIGS. 2 and 3) are designated in FIG. 4 by "26a, 26b, 26c, 26d". For the rest, what has already been said about the embodiments of the invention shown in FIGS. 2 and 3 applies.
In Fig. 5 sind beispielhaft zwei verschiedene Ausführungen der drahtförmigen Verbinder 18a,b und 28a, b (siehe Fig. 2 bis 4) dargestellt, die sich in der Praxis als besonders vorteilhaft gezeigt haben. , daß ein und ein zackenförmiger Verbinder 32b vorteilhaft sind. Ein in Fig. 5 dargestellter wellenförmiger Verbinder 32a wie auch ein zackenförmiger Verbinder 32b ermöglicht durch seine "Wellenberge" bzw. durch seine Zacken eine sichere elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten, ohne daß bei den oben erwähnten Materialien seine jeweiligen elastischen Eigenschaften verringert werden. Es ist klar, daß die Wellung bzw. Zackung der drahtförmigen Verbinden 32a,b so zu wählen ist, daß ihre Einfädelung in die Nuten 14a-d bzw. 24a-d (siehe Fig. 2 bis 4) nicht behindert wird.5 shows, by way of example, two different designs of the wire-shaped connectors 18a, b and 28a, b (see FIGS. 2 to 4), which have proven to be particularly advantageous in practice. that one and one serrated connector 32b are advantageous. A wave-shaped connector 32a as shown in FIG. 5, as well as a jagged connector 32b, enables a reliable electrical contacting of the electrode layers through its "wave crests" or through its jags, without the respective elastic properties being reduced in the case of the materials mentioned above. It is clear that the corrugation or serration of the wire-shaped connections 32a, b is to be selected so that their threading into the grooves 14a-d or 24a-d (see FIGS. 2 to 4) is not hindered.
Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten elektromechanischen Antriebe bzw. Sensorelemente nach der Erfindung werden wie folgt hergestellt. Das Verfahren wird am Beispiel des in Fig. 2 dargestellten piezoelektrischen Elements 10 erläutert. Das Verfahren ist ohne Einschränkung der Erfindung auch für alle anderen möglichen, elektromechanischen Antriebe bzw. Sensorelemente nach der Erfindung anwendbar.The electromechanical drives or sensor elements according to the invention shown in FIGS. 2 to 4 are manufactured as follows. The method is explained using the example of the piezoelectric element 10 shown in FIG. 2. Without restricting the invention, the method can also be used for all other possible electromechanical drives or sensor elements according to the invention.
Zunächst werden die keramischen Scheiben 12a-d aus einem oben beschriebenen elektroaktiven Material nach einem in der Keramiktechnologie üblichen Verfahren mit gewünschtenFirst, the ceramic disks 12a-d are made from an electroactive material described above by a method customary in ceramic technology
Abmessungen hergestellt, wobei eine Reserve von 2-3 mm für jedes Maß unter Berücksichtigung der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung vorgesehen ist. Danach werden die keramischen Scheiben 12a-d geschliffen, bis eine vorgegebene Stärke S von beispielsweise 0,15 bis 03 mm erreicht wird. Nach dem Schneiden der gewünschten Nut 14a-d in jede zu metallisierende Oberfläche einer Keramikscheibe 12a-d, wobei die Nut nicht tiefer als die Hälfte der Stärke S der betrachteten Keramikschicht sein darf, werden die betreffende Oberfläche einschließlich der Nut mit einem Metall beschichtet. Dies wird durch wenigstens zweimaliges Aufbringen einer silberhaltigen Paste und nachfolgendem Tempern bei einer Temperatur von 800-820°C erreicht. Anschließend werden die Keramikscheiben in der gewünschten Weise und je nach gewünschter Ausrichtung der Nuten zueinander verbunden, wobei jeweils zwei Keramikschichten durch Verleimen mit Zelluloseleim miteinander verklebt werden. Danach werden die geleimten Keramikscheiben in einem geeigneten Rahmen eingesetzt und durch Diffusionsschweißen bei einer Temperatur von 780-800°C und einachsiger Kompression unter einem Druck von 3-5 kg/cm2 im Verlauf von 3 Stunden miteinander zu einer monolithischen Struktur verbacken und dann bis auf Zimmertemperatur abgekühlt. Je ein Verbinder-Draht wird in eine Nut eingezogen, wobei die durch die metallisierten Schichten gebildeten Elektrodenschichten in gewünschter Weise durch Einwirken eines elektrischen Feldes auf die Verbinder-Drähte unter hoher Temperatur polarisiert werden. Anschließend werden die Elektrodenschichten in der gewünschten Weise zusammengeschaltet. Danach werden die gewünschten Parameter und die piezoelektrischen Eigenschaften des Antriebs bzw. des Sensorelements kontrolliert.Dimensions made, with a reserve of 2-3 mm for each Dimension is provided taking into account the subsequent mechanical processing. The ceramic disks 12a-d are then ground until a predetermined thickness S of, for example, 0.15 to 03 mm is reached. After the desired groove 14a-d has been cut into each surface of a ceramic disk 12a-d to be metallized, the groove not being allowed to be deeper than half the thickness S of the ceramic layer under consideration, the surface in question, including the groove, is coated with a metal. This is achieved by applying a silver-containing paste at least twice and then tempering at a temperature of 800-820 ° C. The ceramic disks are then connected to one another in the desired manner and depending on the desired alignment of the grooves, two ceramic layers being glued to one another by gluing with cellulose glue. The glued ceramic disks are then used in a suitable frame and baked together by diffusion welding at a temperature of 780-800 ° C. and uniaxial compression under a pressure of 3-5 kg / cm 2 over a period of 3 hours to form a monolithic structure and then until cooled to room temperature. One connector wire each is drawn into a groove, the electrode layers formed by the metallized layers being polarized in the desired manner by the action of an electric field on the connector wires at high temperature. The electrode layers are then interconnected in the desired manner. The desired parameters and the piezoelectric properties of the drive or sensor element are then checked.
Der Vollständigkeit halber ist in der Fig. 6 ein Beschleunigungssensor 40 dargestellt, der mit einem piezo-elektrischen Sensor nach der Erfindung ausgerüstet ist. Das Sensorelement 42 umfaßt plattenförmige, also eckige keramischen Schichten 41a, 41 b, 41c,For the sake of completeness, an acceleration sensor 40 is shown in FIG. 6, which, according to FIG Invention is equipped. The sensor element 42 comprises plate-shaped, ie angular ceramic layers 41a, 41b, 41c,
41 d, 41 e, 41 f sowie zwischen diesen angeordnete Elektrodenschichten, die zusammen einen bereits oben erwähnten monolithischen Mehrschicht-Kondensator bilden. Das Sensorelement41 d, 41 e, 41 f and electrode layers arranged between them, which together form a monolithic multilayer capacitor already mentioned above. The sensor element
42 ist mittels eines Befestigungsstabes 44 auf einer Grundplatte 46 befestigt. Zu diesem Zweck haben die einzelnen Keramikplatten 41a-f zentrische Öffnungen ähnlich jenen der Keramikscheiben 22a-d in der Fig. 4, die zusammen einen zentrischen, axialen Durchgang des Sensorelements 42 bilden. Der Befestigungsstab 44 ist fest mit der Grundplatte 46 verbunden, verläuft durch den zentrischen, axialen Durchgang des Sensorelements 42 und erstreckt sich darüber hinaus in einen Abschnitt, der mit einem Gewinde 48 versehen ist. Das Sensorelement 40 ist also über den Befestigungsstab 44 gesteckt und wird mittels einer Haltemutter 50, die auf den Befestigungsstab 44 geschraubt ist, befestigt und mechanisch mit der Grundplatte 46 verbunden. Zur elektrischen Isolierung des Sensorelements 40 gegenüber der Grundplatte 46 und einem ein Gehäuse bildenden Deckel 52 dienen zwei Isolationsschichten 54a, 54b.42 is fastened on a base plate 46 by means of a fastening rod 44. For this purpose, the individual ceramic plates 41a-f have central openings similar to those of the ceramic disks 22a-d in FIG. 4, which together form a central, axial passage of the sensor element 42. The fastening rod 44 is fixedly connected to the base plate 46, runs through the central, axial passage of the sensor element 42 and also extends into a section which is provided with a thread 48. The sensor element 40 is therefore placed over the fastening rod 44 and is fastened by means of a retaining nut 50 which is screwed onto the fastening rod 44 and mechanically connected to the base plate 46. Two insulation layers 54a, 54b serve for the electrical insulation of the sensor element 40 from the base plate 46 and a cover 52 forming a housing.
Das Sensorelement 40 ist im wesentlichen in ähnlicher Weise aufgebaut, wie die in Fig. 2 bis 4 dargestellten piezo-elektrischen Elemente 10 und 20. Im Gegensatz dazu sind hier jedoch Nuten 56a, 56b, 56c, 56d, 56e, 56f zur Aufnahme von drahtförmigen Verbindern 58a, 58b vorgesehen, welche Nuten an den äußeren Rändern, sozusagen an den Kanten der Keramikplatten 41a-f verlaufen. Die in gewünschter Weise die Elektroden gleicher Polarität verbindenden drahtförmigen Verbinder 58a, b laufen in elektrische Verbindungsleitungen 60a, 60b aus, die in einem Kabel 62 zusammengefaßt werden, das wiederum mit einer hier nicht dargestellten Meßelektronik verbunden ist. Fig. 7 zeigt beispielhaft eine weiteres Meßgerät, ein Füllstandsmeßgerät, genauer: einen Füllstandsgrenzschalter 70, der mit einem piezo-elektrischen Element 72 ausgerüstet ist, das als monolithischer Block sowohl aus einem Antrieb als auch aus einem Sensorelement nach der Erfindung aufgebaut ist. Der Füllstandsgrenzschalter 70 umfaßt ein Gehäuse 74 und zwei daran befestigte Schwingstäbe 76a, 76b. Die Funktionsweisen solcher Füllstandsgrenzschalter mit Stimmgabel-ähnlichen Schwingstäben sind allgemein bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.The sensor element 40 is constructed essentially in a similar manner to the piezoelectric elements 10 and 20 shown in FIGS. 2 to 4. In contrast to this, however, there are grooves 56a, 56b, 56c, 56d, 56e, 56f for receiving wire-shaped ones Connectors 58a, 58b are provided, which grooves run on the outer edges, so to speak on the edges of the ceramic plates 41a-f. The wire-shaped connectors 58a, b connecting the electrodes of the same polarity in the desired manner run into electrical connecting lines 60a, 60b, which are combined in a cable 62, which in turn is connected to measuring electronics, not shown here. 7 shows an example of a further measuring device, a level measuring device, more precisely: a level limit switch 70, which is equipped with a piezoelectric element 72, which is constructed as a monolithic block both from a drive and from a sensor element according to the invention. The fill level limit switch 70 comprises a housing 74 and two oscillating rods 76a, 76b attached to it. The functions of such level limit switches with tuning fork-like vibrating rods are generally known and are therefore not explained further here.
Das piezo-elektrische Element 72 ist im Innern des Gehäuses 74 mittels eines Befestigungselements 78 befestigt. Das Gehäuse nimmt darüber hinaus aus noch eine hier schematisch dargestellte Antriebs- und Meßelektronik 80 auf.The piezoelectric element 72 is fastened in the interior of the housing 74 by means of a fastening element 78. The housing also accommodates drive and measuring electronics 80, shown schematically here.
Das piezo-elektrische Element 72 ist im Prinzip wieder aus piezo- keramischen Scheiben 82a, 82b, 82c, 82d, 82e, 82f sowie hier nicht näher bezeichneten Elektrodenschichten aufgebaut, ähnlich dem piezo-elektrischen Element nach der Figur 3. Der Unterschied hier besteht darin, daß mit Keramikscheiben 82a, 82b und 82c ein Sensorelement gebildet wird und mit den Keramikscheiben 82e und 82f ein Antrieb. Um unerwünschte Spannungseffekte vom Antriebselement auf das Sensorelement zu vermeiden ist dazwischen eine nicht metallisierte eine Keramikscheibe 82d vorgesehen.In principle, the piezo-electric element 72 is again made up of piezo-ceramic disks 82a, 82b, 82c, 82d, 82e, 82f and electrode layers (not shown here), similar to the piezo-electric element according to FIG. 3. The difference here is that a sensor element is formed with ceramic disks 82a, 82b and 82c and a drive with ceramic disks 82e and 82f. In order to avoid undesirable voltage effects from the drive element on the sensor element, a non-metallized ceramic disk 82d is provided in between.
Das piezo-elektrische Element 72 weist weiterhin zwei Abschlußelemente 84a, 84b auf, mit denen es einerseits an einem eine Membran 86 bildenden Teil des Gehäuses 74 und andererseits am Befestigungselement 78 anliegt. BezugszeichenlisteThe piezoelectric element 72 also has two terminating elements 84a, 84b, with which it bears on the one hand on a part of the housing 74 forming a membrane 86 and on the other hand on the fastening element 78. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 bisher bekannter Antrieb bzw. Sensorelement1 previously known drive or sensor element
2a-d piezo-keramische Scheibe2a-d piezo-ceramic disc
3a-c Elektroden3a-c electrodes
4 Verbinder4 connectors
5a,b Verbindungspunkte5a, b connection points
10 erste Variante des erfindungsgem. Antriebs bzw.10 first variant of the invention. Drive or
Sensorelementssensor element
12a-f piezo-keramische Scheibe12a-f piezo-ceramic disc
14a-d Nuten14a-d grooves
16a-e Elektrodenschicht16a-e electrode layer
18a,b drahtförmiger Verbinder18a, b wire-shaped connector
19a,b Verbindungsleitung zur Meß- bzw. Antriebselektronik19a, b connecting line to the measuring or drive electronics
20 zweite Variante des erfindungsgem. Antriebs bzw.20 second variant of the invention. Drive or
Sensorelementssensor element
22a-d piezo-keramische Scheibe22a-d piezo-ceramic disc
24a-d Nuten24a-d grooves
26a-d Elektrodenschicht26a-d electrode layer
28a,b drahtförmiger Verbinder28a, b wire-shaped connector
29 Längsachse von (20)29 longitudinal axis of (20)
32a gewellter Draht32a corrugated wire
32b gezackter Draht32b jagged wire
40 Beschleunigungssensor40 acceleration sensor
41 a-f Keramikplatte41 a-f ceramic plate
42 piezo-elektrisches Sensorelement aus eckigen Platten42 piezo-electric sensor element made of square plates
44 Befestigungsstab44 fastening rod
46 Grundplatte46 base plate
48 Gewinde auf (44)48 thread on (44)
50 Haltemutter50 holding nut
52 Deckel a,b Isolationsschicht a-f Nuten a,b Verbinder a,b elektrische Verbindungsleitung Kabel Füllstandsgrenzschalter piezo-elektrisches Element Gehäuse a, b Schwingstab Befestigungselement Antriebs- bzw. Auswerte-Elektronik a-f keramische Schichten a,b Abschlußelement von (76) Membran 52 cover a, b insulation layer af grooves a, b connector a, b electrical connection cable level switch piezo-electric element housing a, b oscillating rod fastening element drive or evaluation electronics af ceramic layers a, b sealing element of (76) membrane

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektromechanischer Antrieb bzw. Sensorelement in Schichtbauweise, der bzw. das1. Electromechanical drive or sensor element in layered construction, the or that
- aus mehreren piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41 a-f),- from several piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 a-f),
- einer zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen von direkt benachbarten piezo-elektrischen Keramikschichten angeordneten Elektrodenschicht (16a-e; 26a-d) und- An electrode layer (16a-e; 26a-d) and arranged between two mutually facing surfaces of directly adjacent piezoelectric ceramic layers
- einem elektrischen Verbinder (18a,b; 28a,b; 58a,b) zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht (16a-e; 26a-d) umfaßt,an electrical connector (18a, b; 28a, b; 58a, b) for electrically contacting the electrode layer (16a-e; 26a-d),
-- wobei der Verbinder (18a,b; 28a, b; 58a, b) ebenfalls zwischen den zwei einander zugewandten Oberflächen der piezo-elektrischen- The connector (18a, b; 28a, b; 58a, b) also between the two facing surfaces of the piezoelectric
Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41 a-f) angeordnet und herausgeführt ist.Ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 a-f) is arranged and led out.
2. Elektromechanischer Antrieb bzw. Sensorelement in Schichtbauweise,2. Electromechanical drive or sensor element in a layered construction,
- mit mehreren piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41 a-f),- With several piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 a-f),
- bei dem einander zugewandte Oberflächen von direkt benachbarten piezo- elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41 a-f) durch Aufbringen einer- In the mutually facing surfaces of directly adjacent piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 a-f) by applying a
Metallbeschichtung metallisiert werden,Metal coating can be metallized,
- die mittels Diffusionsschweißen zusammengefügt sind,- which are joined by means of diffusion welding,
- so daß durch die metallisierten Oberflächen eine Elektrodenschicht- So that an electrode layer through the metallized surfaces
(16a-e; 26a-d) gebildet wird, — die über einen elektrischen Verbinder (18a, b; 28a,b; 58a, b) kontaktierbar ist.(16a-e; 26a-d) is formed, - Which can be contacted via an electrical connector (18a, b; 28a, b; 58a, b).
3. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem in mindestens einer der zwei einander zugewandten Oberflächen der piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41a-f) eine Nut (14a-d; 24a-d; 56a-f) vorgesehen ist, die den elektrischen Verbinder (18a,b; 28a,b; 58a,b) wenigstens teilweise aufnimmt.3. Drive or sensor element according to one of claims 1 or 2, in which in at least one of the two mutually facing surfaces of the piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41a-f) a groove (14a-d; 24a -d; 56a-f) is provided which at least partially accommodates the electrical connector (18a, b; 28a, b; 58a, b).
4. Antrieb bzw. Sensorelement nach Anspruch 3, bei dem der Verbinder (18a,b; 28a, b; 58a,b) ein sich über die Oberflächen der piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41a-f) hinaus erstreckender Draht ist.4. Drive or sensor element according to claim 3, wherein the connector (18a, b; 28a, b; 58a, b) over the surfaces of the piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41a-f) extending wire is.
5. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 3 oder 4 mit wenigstens drei piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41a-f) und wenigstens zwei Nuten (14a-d; 24a-d; 56a-f), bei dem diese Nuten (14a-d; 24a-d; 56a-f) zueinander und in Bezug auf eine Längsachse (29) des Antriebs bzw. Sensorelements versetzt angeordnet sind.5. Drive or sensor element according to one of claims 3 or 4 with at least three piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41a-f) and at least two grooves (14a-d; 24a-d; 56a-f) , in which these grooves (14a-d; 24a-d; 56a-f) are arranged offset to one another and with respect to a longitudinal axis (29) of the drive or sensor element.
6. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5 mit einem drahtförmigen Verbinder (18a,b; 28a,b; 58a, b), der ein6. Drive or sensor element according to one of claims 4 or 5 with a wire-shaped connector (18a, b; 28a, b; 58a, b), the one
Draht mit einer welligen oder gezackten Struktur ist.Wire with a wavy or serrated structure.
7. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41a-f) aus PZT-Material. 7. Drive or sensor element according to one of claims 1 to 6 with piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41a-f) made of PZT material.
8. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41 a-f) aus PbMg0308Nb0617Ti0075O3.8. Drive or sensor element according to one of claims 1 to 7 with piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 af) made of PbMg 0308 Nb 0617 Ti 0075 O 3 .
9. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit piezo-elektrischen Keramikschichten (12a-f; 22a-d; 41a-f) aus einem Material mit einer Curie-Temperatur größer 400°C besteht, beispielsweise aus Na05Bi45Ti4O15 bzw. Bi3TiNb09.9. Drive or sensor element according to one of claims 1 to 8 with piezoelectric ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41a-f) made of a material with a Curie temperature greater than 400 ° C, for example Na 05 Bi 45 Ti 4 O 15 or Bi 3 TiNb0 9 .
10. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit Elektrodenschichten (16a-e; 26a-d) aus einem metallischen Material mit einer Curie-Temperatur größer 400°C.10. Drive or sensor element according to one of claims 1 to 9 with electrode layers (16a-e; 26a-d) made of a metallic material with a Curie temperature greater than 400 ° C.
11. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit Elektrodenschichten (16a-e; 26a-d) aus Wismut-Titanat.11. Drive or sensor element according to one of claims 1 to 10 with electrode layers (16a-e; 26a-d) made of bismuth titanate.
12. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 bis 11 mit drahtförmigen Verbindern (18a,b; 28a, b; 58a, b) aus einem metallischen Material mit einer Hochtemperaturstabilität größer 250°C.12. Drive or sensor element according to one of claims 4 to 11 with wire-shaped connectors (18a, b; 28a, b; 58a, b) made of a metallic material with a high temperature stability greater than 250 ° C.
13. Antrieb bzw. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 bis 11 mit drahtförmigen Verbindern (18a,b; 28a, b; 58a, b) aus einem silberhaltigen, edelstahlhaltigen Material oder einem solchen, das eine Nickellegierung enthält.13. Drive or sensor element according to one of claims 4 to 11 with wire-shaped connectors (18a, b; 28a, b; 58a, b) made of a silver-containing, stainless steel-containing material or one containing a nickel alloy.
14. Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Antrieb bzw. Sensorelement in Schichtbauweise, das folgende Schritte umfaßt: - Herstellen von keramischer Schichten (12a-f; 22a-d; 41a-f) aus elektroaktiven Material nach einem in der Keramiktechnologie üblichen Verfahren mit gewünschten Abmessungen und mit einer Reserve von 2-3 mm für jedes Maß unter Berücksichtigung der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung; - Schleifen der keramischen Schichten (12a-f; 22a-d; 41 a-f) bis eine vorgegebene Stärke von beispielsweise 0,15 bis 03 mm erreicht wird;14. A method for producing an electromechanical drive or sensor element in a layered construction, which comprises the following steps: - producing ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41a-f) from electroactive material according to a customary in ceramic technology Process with the desired dimensions and with a reserve of 2-3 mm for each dimension, taking into account the subsequent mechanical processing; - Grinding the ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 af) until a predetermined thickness of, for example, 0.15 to 03 mm is reached;
- Schneiden einer Nut (14a-d; 24a-d; 56a-f) in eine zu metallisierende Seite der Keramikschichten(12a-f; 22a-d; 41 a-f);- Cutting a groove (14a-d; 24a-d; 56a-f) in one side of the ceramic layers (12a-f; 22a-d; 41 a-f) to be metallized;
- wobei die Tiefe der Nut (14a-d; 24a-d; 56a-f) nicht tiefer als die Hälfte der- The depth of the groove (14a-d; 24a-d; 56a-f) not deeper than half the
Stärke der betrachteten Keramikschicht (12a-f; 22a-d; 41 a-f) sein darf; - Metallbeschichten wenigstens dieser Seite der Keramikschichten (12a-f;Thickness of the ceramic layer under consideration (12a-f; 22a-d; 41 a-f); - metal coating at least this side of the ceramic layers (12a-f;
22a-d; 41 a-f) durch zweimaliges Aufbringen einer silberhaltigen Paste und nachfolgendes Tempern bei einer Temperatur von 800-820°C; - Leimen der metallisierten Oberflächen von zwei Keramikschichten (12a-f;22a-d; 41 a-f) by twice applying a silver-containing paste and subsequent annealing at a temperature of 800-820 ° C; - Gluing the metallized surfaces of two ceramic layers (12a-f;
22a-d; 41a-f) mit Zelluloseleim;22a-d; 41a-f) with cellulose glue;
- Diffusionsschweißen der geleimten Schichten durch Tempern auf eine Temperatur von 780-800°C und einachsiger Kompression unter einem- Diffusion welding of the glued layers by annealing to a temperature of 780-800 ° C and uniaxial compression under one
Druck von 3-5 kg/cm2 im Verlauf von 3 Stunden und Abkühlung bis auf Zimmertemperatur; - Einziehen je eines Verbinder-Drahtes (18a,b; 28a,b; 58a, b) in eine Nut (14a-d; 24a-d; 56a-f);Pressure of 3-5 kg / cm 2 in the course of 3 hours and cooling to room temperature; - Pulling a connector wire (18a, b; 28a, b; 58a, b) into a groove (14a-d; 24a-d; 56a-f);
- Polarisation des Antriebs bzw. des Sensorelements durch Einwirkung eines elektrischen Feldes auf die Drähte (18a,b; 28a,b; 58a,b) unter Hochtemperatur;- Polarization of the drive or the sensor element by the action of an electric field on the wires (18a, b; 28a, b; 58a, b) at high temperature;
- Verbinden gleicher Pole des Antriebs bzw. des Sensorelements;- Connecting the same poles of the drive or the sensor element;
- Kontrolle der gewünschten Parameter und piezo-elektrischen Eigenschaften des Antriebs bzw. des Sensorelements .- Checking the desired parameters and piezo-electric properties of the drive or the sensor element.
15. Füllstandsgrenzschalter (70) mit einem Antrieb und einem Sensorelement nach einem Ansprüche 1 bis 14.15 level switch (70) with a drive and a sensor element according to one of claims 1 to 14.
16. Füllstandsgrenzschalter (70) nach Anspruch 15, bei dem das Sensorelement vom Antrieb durch eine nicht-polarisierte Keramikschicht (82d) getrennt wird.16. Level switch (70) according to claim 15, wherein the sensor element is separated from the drive by a non-polarized ceramic layer (82d).
17. Beschleunigungssensor (40) mit einem Sensorelement nach einem Ansprüche 1 bis 14. 17. Acceleration sensor (40) with a sensor element according to one of claims 1 to 14.
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